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深度文章 | 省间日内电力现货市场设计的挑战与思考

北极星售电网  来源:电网技术  作者:胡超凡 ,王扬,赵天阳 ,崔达  2020/2/7 14:18:00  我要投稿  

北极星售电网讯:摘要:

随着新能源并网增加,各时间尺度下的现货市场功能 正逐步改变,整体呈现出强化日内市场定位、重视日内环节 设计的趋势。作为市场从空间维度的进一步划分,省间日内 市场面临特有的设计难点与挑战。首先,从空间范围、交易 需求、功能定位、设计复杂度 4 个方面,讨论日内市场特征 变化趋势;然后,从省间日内现货市场设计出发,针对省内 市场耦合、区域市场融合、通道容量建模、新能源消纳 4 个方面问题,分析市场建设所面临的挑战;最后,基于中 国日内跨区富余可再生能源电力现货市场的实践,对省间日 内现货市场设计进行思考,并提出基于顺序出清的耦合模 式、区域市场设计应遵循的基本原则、基于潮流和关键支路 的通道建模方法、基于滚动重叠的日内交易机制。

(来源:电网技术 作者:胡超凡 ,王扬,赵天阳 ,崔达)

0 引言 

中国正在加快推进电力现货市场建设,力图设 计高效运行的市场体系,促进资源的优化配置[1-2]。 省间日内市场是现货市场的重要组成部分,市场定 位及设计具有重要意义。作为日内市场,其交易组 织在日前市场之后,在时间维度发挥超短期资源调 节作用;作为省间市场[3],在空间维度发挥资源大 范围优化配置作用。

在中国电力现货市场建设过程中,日内跨区富 余可再生能源电力市场作为省间日内市场的初期 形态,2018 年完成交易 4000 余笔、交易量超过 31 亿 kW·h,其设计、运行起到了重要的实践作用。 随着新能源并网比例增加,各时间尺度现货市场的 功能特征正在逐步改变,日内市场愈发重要。

目前,北美、欧洲等地区的跨区日内市场交易 模式差异较大,北美日内市场分为若干区域,由各 电网运营机构(independent system operator,ISO)负 责交易组织,跨区域交易较为松散,多为双边交易 形式。欧洲通过共享订单、价格耦合等市场机制, 建立了统一日内市场,由各交易中心联合运营。虽 然北美、欧洲等地区在现货市场模式、规则设计等 方面各有侧重;但随着新能源占比提高,整体呈现 出强化日内市场定位、重视日内市场设计的趋势[4-7]。 日内市场在激励参与者进行偏差调整、优化资 源配置、促进新能源消纳等方面具有重要作用。本 文基于中国日内跨区富余可再生能源电力现货市 场的实践,针对日内市场特征变化变化进行讨论, 对省间日内现货市场建设所面临的挑战进行分析, 最后对省内日内现货市场设计进行思考,并提出相 关建议。

1 日内市场特征变化趋势

1.1 日内市场空间范围扩大 

日内市场空间维度逐渐变化,交易范围呈扩大 趋势,这主要源于大规模新能源并网,对跨区域电 力平衡的诉求。一方面新能源发电具有强波动性的 特征,其并网比例逐年增加;另一方面传统电源受 爬坡能力、最小出力等技术因素限制,调节能力有 限。因此,大范围的资源优化配置已经成为提升新 能源消纳水平的重要途径[8]。

欧洲、北美等地区的现货市场交易范围呈扩大 融合趋势。2009 年和 2018 年,欧盟分别颁布“第 三能源法案”(Third Energy Package)和“清洁能源 法案”(Clean Energy Package),推动建立欧洲统一 电力市场,并提出相应的区域价格耦合(price coupling of region,PCR)方法[9]。截至 2018 年底, 欧洲已实现 27 个国家在日前跨境市场耦合,14 个 国家在日内跨境市场耦合,此外,欧洲正在设计推 进统一实时市场[10]。在北美地区,以加州独立电网 运营机构(CAISO,California ISO)为例,在 2014 年 CAISO 启动了美国西部跨区域电力不平衡市场 (Energy Imbalance Market,EIM),EIM 中 15min 市 场与日内市场特征较为相似,EIM 市场交易范围同 样呈现出逐渐扩大趋势[11]。

1.2 日内市场交易需求提升

日内市场交易量、交易占比增加,部分交易由 日前延后至日内阶段开展。受限于能源禀赋,新能 源发电具有较强不确定性,难以准确预测。与传统 (火电)参与者不同,新能源参与者往往越临近执行 时刻,其出力预测精度越高[12]。由于这一特征,在 不考虑其他影响因素的情况下,新能源参与者更倾 向于参与日内市场交易,导致日内交易需求提升。 日内市场交易逐年增长,变相导致部分交易时 间延后。同时,日内出清结果与日前变化增大,电 网运行风险增加,日内价格波动加剧[13-14]。

1.3 日内市场功能定位强化

日内市场功能定位转变,亟待价格信号进行引 导。日前市场与实时市场的偏差增大,需要更加完 备的日内市场,实现平滑过渡。在北美市场初期设 计中,日内环节主要目的是为 ISO 提供相应时间尺 度下的电网调节手段,因此在市场参数设计方面, 日内市场相关时间参数与机组性能参数一致,如 表 1 所示。随着新能源并网比例增加,日内市场功 能并非仅仅是被动确定是否调用相应时间尺度下 的调节手段,激励市场参与者主动尽早进行偏差调节、降低调节成本,正成为日内市场的重要职能之 一[15]。

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通过价格信号引导是激励市场参与者主动进 行偏差调节的重要方式。在市场初期设计中,北美 日内市场大多采用没有独立的出清价格机,而是采 用与实时市场相同的价格进行出清。在现阶段日内 市场设计中,利用价格信号引导偏差修正,在降低 预测偏差导致的价格波动、激励新能源参与者提升 自身预测水平、提升电网运行安全性等方面,均具 有重要意义。

1.4 日内市场设计复杂度提高

日内市场设计难度增大,架构复杂度提高。日 内市场复杂度主要来源于以下方面:一是现货市场 固有的设计难点。日内市场作为现货市场的组成部 分,现货市场中固有的难点在日内市场中依然存 在,如启停成本、无负荷成本导致的非凸问题[16]。 二是源于日内市场自身特点,主要包括辅助服务和 时间颗粒度的多样性。在辅助服务方面,日内市场 新增爬坡容量等辅助服务;在时间颗粒度方面,日 内市场交易频率、合同时长更加灵活,部分北美市 场包含 3 种日内市场,两者均增加了日内市场设计 难度。三是与其他市场衔接产生的复杂度,日内市 场需考虑与日前市场、实时市场的双向衔接。

2 省间日内市场特征及设计挑战

2.1 省间日内市场特征

市场在时间维度细化的目的在于动态利用更 新信息,在空间维度细化的目的在于提高资源的全 局优化配置效率。省间日内市场是在日内市场基础第 44 卷 第 2 期 电 网 技 术 575 上,从空间维度进行的市场细化。

 1)省间日内市场为实现全局优化,部分细节 简化。为扩大优化范围,保证出清效率,省间市场 对部分省内细节进行一定程度简化。例如,将各省 电网等效为单一节点。在提高出清效率的同时,也 增大了执行风险。

 2)省间与省内市场紧密耦合,交易需多级调 度的协调组织。时间维度不同的各级市场大多由同 一调度/交易机构组织完成,空间范围不同的各级市 场则需要由多级调度/交易机构组织完成。各级市场 相互关联,难以同时独立开展。因此,省间、省内 多级市场组织,对各级调度的协调配合要求较高。 基于上述省间日内市场的特征,省间日内市场 在建设过程面临相应设计难点与挑战,如图 1 所示。

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2.2 省间日内市场设计挑战

2.2.1 耦合衔接省内市场

1)资源耦合。 

省间市场、省内市场作为空间维度不同的两个 市场,其设计的难点在于如何协调两市场交易次 序,解决两市场交易资源共用问题。交易资源包括 电能量、辅助服务等。市场参与者可以同时选择在 省间市场与省内市场进行交易,受可交易总量限 制,参与者在两市场的交易量存在相互制约关系。 例如,对于某卖方参与者,若其在省内市场交易量 过大,可能导致其在省间市场的可交易量减少,反 之亦然。针对上述交易资源共用问题,在不能集中 优化的情况下,不确定省间交易量则无法确定省内 可交易量,同理不确定省内交易量则无法确定省间 可交易量。

需要说明的是,上述问题虽然可以通过事先按 一定规则分配的方式解决(例如:市场参与者事先分 配其在两市场的申报量),但由于市场交易的不确定 性,可能会导致交易结果与预期偏差较大。因此设 计合理的市场耦合机制,避免各市场间低效运行, 具有重要意义。此外,相较于日前市场,日内市场 对交易流程简洁性、高效性有更高的要求。 

2)跨时间维度耦合。 

现阶段市场建设中,在时间维度上,省间现货 市场重点建设日前、日内市场,省内现货市场重点 建设日前、实时市场。因此,在省内日内市场尚未 完备阶段,省间日内市场设计需满足同省内实时市 场的耦合要求。

2.2.2 融合区域调峰辅助服务市场 

区域调峰辅助服务市场是市场建设过渡时期 的形态,并未形成标准的市场形态。完备的省间市 场和省内市场将包含其现有全部功能。 当存在两个不同空间范围且相互影响的市场 时,至少需要一次迭代(A 市场预出清→B 市场正式 出清→A 市场正式出清)才能较好地完成交易。当某 地区存在省间市场、区域市场、省内市场 3 个空间 维度不同的市场同时运行时,考虑预出清(或预平 衡)等环节,市场交易过程复杂,不利于在交易时间 较短的日内市场实施。同时,还可能存在各市场间 相互影响,导致市场低效运作的情况发生。 

目前,东北、西北、华北、华东已建立了区域 调峰辅助市场,部分地区正在进行方案编制。各区 域调峰市场差异较大,交易频率、合同时长、交易 市场形态均不相同,如表 2 所示。缺乏统一规范的 市场设计,增加了区域调峰辅助服务市场与其他市 场融合的难度。

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2.2.3 通道可用容量建模与管理 

通道可用容量建模管理是现货市场设计中的 关键环节,也是市场出清结果能够进行调度执行的 重要保障。省间现货市场为提高市场效率,将部分 细节进行简化,例如将全省等效为单一节点。在简 化过程中,部分信息扭曲或缺失,增加了通道建模 管理的难度。

1)省间通道可用容量建模。

省间交易路径大部分以“交流通道+直流通道+ 交流通道”的形式构成。省间市场现阶段规则中, 省间通道容量采用典型的可用输送容量(available transmission capacity,ATC)模型确定。 

基于 ATC 的通道可用容量建模方式基于一定 程度的简化假设。潮流在直流线路中定功率传输, 不存在潮流转移分布,但在交流线路中分布需遵循 物理特性。这意味着交易电量无法仅通过指定交流 通道由卖方输送至买方,且不经过其他交流网络。 因此,对于耦合关系复杂的交流电网,基于 ATC 的 省间通道容量模型无法完全适应省间市场需求。 

2)省内穿越潮流约束建模。 

省间交易出清模型中以省为单位进行集中申 报,将全省等效为单一节点。这意味着省间市场出 清模型未充分考虑省间交易产生的穿越潮流对省 内通道的影响,换言之,未充分考虑省内交流通道 容量对省间交易的约束。 

在实际物理问题中,绝大部分省间市场参与者 不直接通过省间通道相连,而是经省内通道与省间 通道相连。受限于省内通道可用容量,省间市场交 易量可能存在限制;同时,省间市场交易量与省内 市场交易量可能存在相互制约。因此,将全省等效 为单一节点,适于内部无阻塞或阻塞较轻的地区; 对于内部阻塞严重的地区难以适用。 针对省间交易产生的穿越潮流问题,欧洲市场 采用再调度、反向交易等方式对于区内阻塞问题进 行处理,在解决问题的同时也导致区内调度成本增 加等负面问题出现。中国电网跨区输送能力较强, 省间市场交易占比高于平均水平,省间交易产生的 穿越潮流的影响将更加显著。因此,更需采用适合 的模型方法和管理规则解决这一问题。 

2.2.4 适应现阶段新能源预测特征 

省间市场的定位为大范围资源优化配置,为进 一步提升新能源消纳水平,省间日内市场设计应同 现阶段新能源出力预测特征相匹配。 

目前,部分地区新能源预测水平有待提高,新 能源预测呈现 3 个方面特征:一是有效预测的超前 时间(leading time)较短,预测精度不能完全满足指 导参与者进行准确市场申报的要求。二是预测精度 随预测超前时间快速变化,如图 2 所示[17]。三是趋 势预测偏差较大,当新能源出力趋势稳定时,预测 较为准确;当新能源出力趋势发生变化时(例如:出 力由增加转为减小),往往难以准确预测。此外,由 于新能源并网,导致部分交易时间延后,已在前文 中进行讨论。

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针对上述问题,在省间现货市场设计中,应预 留至少一次修正机会,当预测出现较大偏差导致无 法履约时,允许通过再次交易的方式进行修正。若 再次交易产生的偏差调节成本,应由预测存在误差 的市场参与者承担。此外,省间日内市场设计除促 进新能源消纳外,还应激励新能源参与者主动提高 自身预测水平。 

3 对相关问题的思考 

3.1 基于顺序出清的省内市场耦合模式 

3.1.1 整体出清模式 

为实现资源优化配置,省间市场自身宜采用集 中出清方式;同时集中出清方式与省内市场设计保 持一致,有助于向全国统一电力市场的远期形态过 渡。(全国统一电力市场的远期形态特征为考虑各市 场成员报价与全网平衡,基于安全约束确定省间与 省内通道输电能力,全局优化出清。)对于省间、省 内两个空间维度不同的市场,可采用顺序优化出清 或联合优化出清的模式进行出清。 

1)顺序出清。 

顺序出清模式通过合理规则设计,实现两市场 的解耦优化和边界信息迭代交互。利用合理时序设 计,实现市场交易的高效性、稳定性和可靠性。顺 序出清在结果最优性方面可能低于联合出清,但对 市场出清模型、计算量等要求较低,适于省间与省 内市场的部分耦合模式。 

2)联合出清。 

联合出清模式需引入分层多主体交互模型,在 主、子问题中分别对省间、省内部分建模,并采用 了联合出清方法。总体上,联合出清的全局最优性 好,但对各市场设计的协同性要求较高,出清模型 复杂、计算量大,适于省间与省内市场的完全耦合 模式。 

基于现货市场建设现状以及建设路径,中期可 考虑采用顺序出清模式;远期可考虑采用联合出清出清模式。本文重点针对顺序出清进行讨论。在顺 序出清模式下,对于空间维度不同的两个市场出 清,其本质为双层规划问题,因此至少需要一次迭 代才能完成出清。即自省内市场至省间市场的平衡 申报,侧重考虑平衡问题;自省间市场至省内市场 的正式出清,侧重考虑阻塞管理。基于此,省内市 场可首先进行预出清或预平衡,作为省间市场申报 的参考;然后省间市场正式申报、出清,作为省内 市场的边界条件;省内市场再正式出清,以避免出 现反复迭代。省内市场正式出清结果可能与预出 清、预平衡结果存在一定偏差。此外,各省内市场 也可根据实际平衡与阻塞情况,适当简化省内交易 流程。 

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